WO2014002471A1 - 燃料処理装置 - Google Patents

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友紀 三田
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel processing apparatus that generates hydrogen gas from a raw material gas.
  • a fuel processing apparatus includes an evaporation section, a reforming section, a shift section, and a combustion section.
  • the evaporating unit evaporates the reformed water and mixes the raw material gas and water vapor.
  • the reforming unit reforms the raw material gas mixed with the water vapor into the hydrogen mixed gas through the reforming catalyst.
  • the shift section passes the hydrogen mixed gas through the shift catalyst to remove carbon monoxide.
  • the combustion section supplies heat to the reforming section in order to bring the reforming section to a temperature suitable for the reaction.
  • the heat of the exhaust gas in the combustion section and the reaction heat in the shift section are supplied and used to evaporate the reforming water.
  • the temperature suitable for the reaction in the reforming section (for example, 600 ° C.)
  • the temperature suitable for the reaction in the shift section (for example, 300 ° C.) is low, so the hydrogen mixed gas sent from the reforming section to the shift section Need to be cooled.
  • the flow path through which the reformed hydrogen mixed gas flows is brought close to the evaporation section, so that heat is exchanged and supplied to the transformation section.
  • a configuration in which the hydrogen mixed gas is cooled may be employed. Thereby, the hydrogen mixed gas supplied to a shift part can be made into the temperature suitable for the reaction in a shift part.
  • a technique for optimizing and using the temperature of each constituent member has been proposed by devising the positional relationship between the evaporation section and other members. For example, there has been proposed a technique for controlling the temperature of the shift section between the evaporation section and the reformed gas flow path by making the arrangement relationship between the evaporation section, the reformed gas flow path, and the shift section into a specific mode. (See Patent Documents 3 and 4). Moreover, the technique which controls the temperature of a transformer by arrange
  • the reaction of the hydrogen mixed gas in the metamorphic part is an exothermic reaction.
  • the shift catalyst is also cooled in the vicinity of the evaporation unit.
  • it is necessary to secure a flow path for supplying the raw material gas and water vapor in the evaporation section according to the flow path of the hydrogen mixed gas and the length of the shift catalyst, resulting in an increase in the size of the fuel processing apparatus.
  • An object of the present invention is to provide a fuel processing apparatus capable of cooling both the reformed hydrogen mixed gas and the catalyst through which the hydrogen mixed gas passes while downsizing the fuel processing apparatus.
  • a fuel processing apparatus includes an evaporation unit that evaporates reformed water, and a catalyst reaction unit that passes a gas to be processed through a catalyst and is disposed adjacent to the evaporation unit via a partition. And a gas flow path that sends the gas from the pre-treatment unit to the catalytic reaction unit and is disposed close to the evaporation unit so as to dissipate heat.
  • the gas flow path has an intermediate flow path for passing the gas in a part of a portion where the catalytic reaction section and the evaporation section face each other, and the downstream end of the intermediate flow path and the upstream of the catalytic reaction section The structure which the end communicates is adopted.
  • the heat of the catalytic reaction part is arranged close to the evaporation part so that heat can be dissipated. Therefore, if the catalytic reaction unit is configured to generate an exothermic reaction, the heat is supplied to the evaporation unit, and evaporation of the reforming water can be promoted.
  • the catalytic reaction part in which the exothermic reaction occurs may include a selective oxidation part in addition to the modification part.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an entire fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the figure explaining the flow of the gas in the fuel processing apparatus of embodiment Longitudinal sectional view showing a combustion unit of a fuel processor Longitudinal sectional view showing a reforming unit of a fuel processor Longitudinal sectional view showing the transformation unit of the fuel processor Longitudinal sectional view showing a desulfurization unit of a fuel processor Longitudinal sectional view showing components of the transformation unit
  • the perspective view which shows the partition member of a transformation unit The perspective view which shows the uneven surface of the outer peripheral member of a modification
  • the fragmentary sectional view which shows the 1st transformation part in the modification of the fuel processing apparatus of embodiment The fragmentary sectional view which shows the 1st transformation
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an entire fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a gas flow in the fuel processing apparatus according to the embodiment.
  • the fuel processing apparatus of the present embodiment is an apparatus that generates hydrogen gas from a raw material gas and supplies it to a power generation stack in a cogeneration system using, for example, a fuel cell.
  • the fuel processing apparatus of the present embodiment includes a combustion unit 10, a desulfurization unit 20, an evaporation unit 30 (see FIG. 4), a reforming unit 40 (corresponding to a pre-processing unit), and a first shift unit. 50 (corresponding to a catalytic reaction section), a second shift section 60, an ammonia decomposition section 65, a selective oxidation section 70, and the like.
  • the combustion unit 10 is disposed in the center of the apparatus, burns fuel gas with the burner 11, and supplies heat to the reforming unit 40.
  • the exhaust gas passes through the discharge path 12 and is discharged from the discharge port e2.
  • the desulfurization unit 20 passes a source gas such as city gas through a desulfurization catalyst, and removes sulfur components from the source gas by, for example, a hydrodesulfurization method.
  • the raw material gas is introduced from the introduction port d ⁇ b> 1, passes through the desulfurization unit 20, and is pumped to the evaporation unit 30.
  • the evaporation unit 30 (see FIG. 4) has a spiral flow path 31 that goes along the funnel-shaped inclined surface and proceeds to the center, and passes the raw material gas and the reformed water through the heated flow path 31 to supply the raw material. Mix gas and water vapor.
  • the evaporation unit 30 is close to the exhaust gas discharge path 12, and the flow path 31 is heated by the heat of the exhaust gas.
  • the raw material gas is introduced from the desulfurization unit 20 through the pipe f1.
  • the reforming water flows from the introduction port d2.
  • the reforming unit 40 reforms the raw material gas mixed with the water vapor into a hydrogen mixed gas through the reforming catalyst.
  • the reforming unit 40 functions at a high temperature such as 600 ° C., for example.
  • a heat insulating material 80 is provided around the reforming unit 40 and below the combustion unit 10 in order to reduce exhaust heat to the surroundings.
  • the reformed hydrogen mixed gas is sent to the first shift unit 50.
  • the first shift unit 50 passes the hydrogen mixed gas through the first shift catalyst to remove carbon monoxide contained in the hydrogen mixed gas.
  • the first metamorphic portion 50 functions at a high temperature such as 300 ° C., for example.
  • the reaction of the hydrogen mixed gas in the first shift unit 50 is an exothermic reaction.
  • the first transformation unit 50 is brought close to the evaporation unit 30, and the heat generated in the first transformation unit 50 is supplied to the evaporation unit 30 and used to heat the flow path 31.
  • the hydrogen mixed gas that has passed through the first shift section 50 is sent to the second shift section 60.
  • the second shift unit 60 passes the hydrogen mixed gas through the second shift catalyst to further reduce the concentration of carbon monoxide in the hydrogen mixed gas.
  • the second metamorphic unit 60 functions at a temperature lower than that of the first metamorphic unit 50 such as 200 ° C., for example.
  • the reaction of the hydrogen mixed gas in the second shift section 60 is an exothermic reaction.
  • the hydrogen mixed gas that has passed through the second transformation unit 60 is sent to the ammonia decomposition unit 65.
  • the ammonia decomposing unit 65 passes the hydrogen mixed gas through the NH 3 decomposition catalyst to remove ammonia contained in the hydrogen mixed gas.
  • the hydrogen mixed gas from which ammonia has been removed is sent to the selective oxidation unit 70.
  • a slight amount of air is introduced from the introduction port d3, and a catalytic reaction is performed.
  • the selective oxidation unit 70 passes the hydrogen mixed gas through the selective oxidation catalyst to reduce the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen mixed gas to about 10 ppm. This gas becomes hydrogen gas supplied to the power generation stack.
  • the reaction of the hydrogen mixed gas in the selective oxidation unit 70 is an exothermic reaction.
  • the selective oxidation unit 70 is brought close to the evaporation unit 30, and the heat generated in the selective oxidation unit 70 is supplied to the evaporation unit 30 and used to heat the flow path 31. Hydrogen gas is supplied from the outlet e1 to the power generation stack side.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a combustion unit of the fuel processing apparatus
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a reforming unit of the fuel processing apparatus
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a modification unit of the fuel processing apparatus
  • 6 is a longitudinal sectional view showing a desulfurization unit of the fuel processing apparatus.
  • each unit includes a fuel unit 10A (FIG. 3), a reforming unit 40A (FIG. 4), a shift unit 50A (FIG. 5), and a desulfurization unit 20A (FIG. 6).
  • the combustion unit 10 ⁇ / b> A includes a burner 11, a combustion unit 10 in which combustion is performed by the burner 11, a wall body 13 that partitions one side of the exhaust gas discharge path 12, an exhaust port e ⁇ b> 2, and an exhaust path 12. And a pipe f2 connecting the two.
  • the wall body 13 is formed in an annular shape so as to surround the burner 11 and the combusting portion 10 as a center.
  • the wall 13 is formed in a cylindrical shape around the combustion unit 10, and a portion adjacent to the evaporation unit 30 is formed in a truncated cone shape.
  • the outer peripheral portion y1 is joined to a corresponding portion of the reforming unit 40A by welding or the like.
  • the reforming unit 40 ⁇ / b> A is a unit having an evaporation unit 30 and a reforming unit 40.
  • the reforming unit 40A is provided with an inner peripheral member 310 and an outer peripheral member 320 that form a space between the flow path 31 and the reforming unit 40 with a gap, and pipes f3 and f4 for introducing raw material gas and reforming water. .
  • the inner circumferential member 310 is formed in a container shape that surrounds the four sides of the combustion unit 10A in an annular shape and is covered with the lower side (flame hit side) of the combustion unit 10A.
  • the outer circumferential member 320 is disposed concentrically and on the outer side with the inner circumferential member 310, and is formed in an annular shape that surrounds the four sides of the inner circumferential member 310 and opens upward and downward.
  • the shift unit 50 ⁇ / b> A is a unit having a first shift unit 50, a second shift unit 60, an ammonia decomposition unit 65, and a selective oxidation unit 70.
  • the shift unit 50A forms a partition 52 (partition member) that covers one side of the gas flow path from the reforming section 40 to the first shift section 50, a catalyst container of the first shift section 50, and a gas flow path around this.
  • the first component member 51 is provided.
  • the shift unit 50A includes a second component 61 that forms a catalyst container of the second shift unit 60 and the ammonia decomposition unit 65 and a gas flow path around the catalyst container, and a third configuration that forms a catalyst container of the selective oxidation unit 70. And a member 71.
  • the partition 52 is formed in a container shape that surrounds the four sides of the reforming section 40 in an annular shape, is open at the top, and is covered at the bottom. Although details will be described later, the partition 52 has a plurality of grooves 53 and a plurality of grooves that send the gas flowing along the inside (center side) of the partition 52 to the upstream side of the first metamorphic portion 50 disposed outside the partition 52.
  • the opening 53a is formed.
  • Each of the first to third constituent members 51, 61, 71 has an annular structure, the cross section shown in FIG. 5 is formed substantially continuously in the circumferential direction, and each of them is concentric with the combustion section 10 as the center. Has been placed.
  • a pipe f6 for introducing air into a part in the circumferential direction is connected to the second constituent member 61, and a pipe f5 for sending hydrogen gas to a part in the circumferential direction is connected to the third constituent member 71. .
  • the outer peripheral portion y2 at the upper end is joined to the corresponding portion of the reforming unit 40A by welding or the like.
  • the desulfurization unit 20 ⁇ / b> A is a unit having a desulfurization section 20 and a raw material gas introduction channel 25.
  • the catalyst container 21 of the desulfurization section 20 and the surrounding gas flow paths 22 to 24 are formed in an annular shape in which the cross section of FIG. A pipe f1 for sending the desulfurized gas is connected to a part of the gas flow path 24 in the circumferential direction.
  • two bottom plates 25a and 25b that form the introduction flow path 25 by a gap are provided on the bottom side of the center.
  • the bottom plates 25a and 25b are configured by a member that is integral with a member that configures the flow path 23 of the desulfurization unit 20.
  • the introduction flow path 25 is a flow path extending in a planar shape between the double bottom plates 25a and 25b, and a pipe f7 is connected to the center.
  • the desulfurization unit 20A is fitted and fixed in a gap portion of the transformation unit 50A with the heat insulating material 80 interposed therebetween.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of the periphery of the first shift unit 50 in the fuel processing apparatus configured by joining the units, and FIG. 8 illustrates the flow of the hydrogen mixed gas sent from the reforming unit 40.
  • FIG. FIG. 9 is a partially broken perspective view of the partition 52.
  • the first component 51 includes a partition 52 that partitions one side of a gas flow path 502 (corresponding to an intermediate flow path) and a catalyst accommodating space (accommodating container; corresponding to a catalyst accommodating housing), and each surface of the catalyst accommodating container.
  • a partition wall body 54, a wall body 55, an upper lid 56, a lower lid 57, and a first shift catalyst are provided.
  • the partition 52 is integrally formed by metal pressing.
  • the partition 52 is a container-like member that is open at one end and closed at the other end, and is formed by connecting an inclined portion 521, an inner cylinder portion 522, and a bottom portion 523 from the opening side (see FIG. 9). ).
  • the inclined portion 521 is formed in the shape of an inclined surface of a truncated cone having a diameter that decreases from the opening side to the other end side.
  • the inner cylinder part 522 is formed in a cylindrical shape having a substantially constant diameter from the opening side to the bottom side.
  • the bottom part 523 closes the bottom side of the inner cylinder part 522.
  • the inclined part 521, the inner cylinder part 522, and the bottom part 523 are substantially axially shaped (rotationally symmetric about the axis), and are formed such that their central axes overlap each other.
  • the inclined portion 521 is formed by connecting a first inclined portion 521a and a second inclined portion 521b that are inclined in a funnel shape from the opening side.
  • the first inclined portion 521a is formed with a tubular groove 53 projecting in a radial direction from the other surface.
  • the gas flow paths 501 and 502 of the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 to the first shift unit 50 are formed by a gap between the outer peripheral member 320 and the partition 52 of the reforming unit 40A.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the outer peripheral member 320 (FIG. 4) of the reforming unit 40A.
  • FIG. 11 is a partial schematic view of the first inclined portion 521a when the surface including the groove 53 is viewed from the inside of the partition 52 (that is, the outer peripheral member 320 side).
  • the outer peripheral member 320 is formed by connecting an inclined portion 321 and an outer cylindrical portion 322 from one opening side to the other opening side.
  • the inclined portion 321 has a configuration in which an uneven surface is formed on an inclined surface inclined in a funnel shape.
  • the concavo-convex surface of the inclined portion 321 is formed such that the concave groove V1 is continuous in a spiral shape.
  • the concave groove V1 is a spiral groove that advances while rotating from the peripheral side of the inclined portion 321 to the center, and is provided so that the central axis of the spiral and the central axes of the inclined portion 321 and the outer cylindrical portion 322 substantially overlap. Yes.
  • the concave groove V ⁇ b> 1 is formed so as to continue from the opening side of the inclined portion 321 to the front side of the outer cylinder portion 322.
  • the outer peripheral member 320 is integrally formed by metal pressing.
  • a tubular groove 53 protruding in the radial direction (that is, the direction opposite to the outer peripheral member 320) is formed in the vertical direction of the first inclined portion 521a.
  • the partition 52 is concentric with the outer peripheral member 320 (the reforming unit 40A) and overlaps the outside.
  • the partition 52 and the outer peripheral member 320 are joined by brazing along the concave groove V1, for example, in a state where the uneven surface of the inclined portion 321 and the first inclined portion 521a are in close contact with each other. That is, the container of the first transformation unit 50 is joined to the evaporation unit 30 along the flow path of the evaporation unit 30 except for the portion of the gas flow path 502.
  • the gas flow path 501 is formed in an annular shape by a gap between the inner cylinder portion 522 and the second inclined portion 521b and the outer peripheral member 320 (the reforming unit 40A).
  • the gas flow path 502 is formed by a space surrounded by the tubular groove 53 formed in the first inclined portion 521 a and the uneven surface of the inclined portion 321 of the evaporation portion 30.
  • the gas flow path 502 is close to the storage container for the first shift catalyst, and allows the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 to flow from one side (lower side) to the other side (upper side) of the storage container.
  • a plurality of gas flow paths 502 may be provided at substantially equal intervals with respect to the circumferential direction of the first transformation unit 50.
  • the gas flow paths 502 are arranged at equal intervals of 60 ° in the circumferential direction, six grooves 53 are formed in the partition 52.
  • the number of grooves 53 that is, the number of flow paths 502) formed in the inclined portion 521a is not limited to six.
  • Each of the wall body 54 and the wall body 55 is integrally formed by metal pressing.
  • the upper lid 56 is an annular lid having a size such that the inner peripheral portion fits into the partition 52 and the outer peripheral portion fits inside the wall body 54.
  • the upper lid 57 is an annular lid having a size such that an inner peripheral portion is fitted to the wall body 55 and an outer peripheral portion is fitted to the inside of the wall body 54.
  • the upper lid 56 and the lower lid 57 are formed with a mesh that allows gas to pass therethrough without passing through the catalyst.
  • the gas flow path 503 (corresponding to an air chamber) is formed by an annular space surrounded by the partition 52, the wall body 54, and the upper lid 56.
  • the gas channel 503 communicates the downstream port (opening 53a) of the gas channel 502 and the upstream port of the first conversion catalyst accommodation space.
  • the gas flow path 503 diffuses the hydrogen mixed gas sent from the opening 53 a and supplies the hydrogen mixed gas to the first shift unit 50. That is, the gas flow path 503 diffuses and supplies the hydrogen mixed gas sent through the tubular gas flow path 502 to the entire inlet (upper cover 56) of the annular first shift section 50. That is, the gas flow path 503 is formed in order to widen the gas flow path between the gas flow path 502 and the accommodating container of the transformation unit 50.
  • the accommodation space for the first shift catalyst is formed by an annular space surrounded by the partition 52, the wall body 54, and the wall body 55.
  • the hydrogen mixed gas sent to the gas flow path 503 is supplied from the upper side to the lower side.
  • the hydrogen mixed gas sent from the reforming unit 40 when the hydrogen mixed gas sent from the reforming unit 40 reaches the gas flow path 501, it first passes through the gas flow path 502 and is sent from the opening 53a to the gas flow path 503. The Next, the hydrogen mixed gas that has reached the gas flow path 503 is passed through the first shift catalyst through the upper lid 56. That is, in the first shift unit 50, the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 passes through the gas flow path 502 and passes from one side (below the inclined unit 521) to the other side of the first shift catalyst storage container. It flows once (upper side of the inclined portion 521) and is supplied from the other side toward the one side to the first conversion catalyst storage container. That is, the first metamorphic portion 50 has a folded structure.
  • the hydrogen mixed gas is not sufficiently cooled (for example, 450 ° C.) when the reforming unit 40 reaches the first shift unit 50 (that is, near the upstream of the gas flow path 502), the hydrogen mixed gas Is once passed through the first shift catalyst containing container through the gas flow path 502, and is then cooled down to an appropriate temperature (for example, 300 ° C.) when passing through the first shift catalyst.
  • an appropriate temperature for example, 300 ° C.
  • FIG. 12 is a schematic view of a cross section perpendicular to the direction in which the groove 53 around the first metamorphic portion 50 extends.
  • the 1st inclination part 521a which forms the partition 52, and the uneven surface of the inclination part 321 of the evaporation part 30 are joined. Thereby, the gas flow path 502 is formed.
  • the first inclined portion 521a is a part of a surface that partitions one side of the first shift catalyst containing container. Therefore, as shown in FIG. 12, both the gas flow path 502 and the first shift catalyst storage container are disposed close to the evaporation section 30.
  • the evaporation unit 30 that evaporates the reforming water and the first shift unit 50 pass the hydrogen mixed gas (the gas to be processed) through the catalyst and the evaporation unit.
  • the gas flow path 502 is disposed close to the evaporating unit 30 so that heat can be dissipated while the hydrogen mixed gas is sent from the reforming unit 40 to the first shift unit 50. That is, both the gas flow path 502 and the first conversion catalyst storage container of the first shift unit 50 are disposed adjacent to the evaporation unit 30 via the partition 52.
  • the gas flow path 502 is formed using the groove 53 which is a part of the surface (the inclined portion 521) that forms the first conversion catalyst storage container.
  • the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 passing through the gas flow path 502 can be cooled by heat exchange with the evaporation unit 30 and the first shift catalyst is also cooled by heat exchange with the evaporation unit 30. be able to. That is, the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 and the first shift catalyst can be simultaneously cooled. Moreover, since the hydrogen mixed gas and the first shift catalyst are cooled mainly by heat exchange with the evaporation unit 30, the efficiency of the fuel processor can be improved as compared with cooling by heat dissipation.
  • the first shift unit 50 forms the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 along the other side from the one side of the first shift catalyst storage container. After passing through the gas flow path 502 once, the hydrogen mixed gas is supplied from the other side toward the one side to the first shift catalyst containing container. That is, the gas flow path 502 sends the gas to the side farther from the reforming unit 40 in the first transformation unit 50, and the first transformation unit 50 turns the gas back toward the side closer to the reforming unit 40 than the far side. Shed.
  • the spiral flow of the evaporation portion 30 is obtained. It can prevent that the full length of the path
  • an amount of hydrogen mixed gas that can be cooled in the gas flow path 502 close to the first shift catalyst containing container can be cooled from the reforming section 40 to the inlet of the first shift section 50 (hydrogen mixed gas in the gas flow path 502). It is possible to shorten the length to the cooling upstream port). This makes it possible to reduce the size of the fuel processing apparatus.
  • the flow direction of the hydrogen mixed gas in the gas flow path 502 and the flow direction of the hydrogen mixed gas passing through the first shift catalyst are Is reversed.
  • the hydrogen mixed gas passing through the gas flow path 502 is higher in temperature upstream (lower side of the inclined portion 521) and lower in temperature downstream (upper side of the inclined portion 521) due to cooling.
  • the first shift catalyst has a higher exothermic reaction at the upper side of the inclined portion 521 that is the inlet of the hydrogen mixed gas, and thus the temperature is higher, and the exothermic reaction is lower at the lower side of the inclined portion 521 that is the outlet of the hydrogen mixed gas. Because there is, it becomes low temperature.
  • the hydrogen mixed gas passing through the gas flow path 502 is hot and the first shift catalyst is at a low temperature
  • the gas flow path 502 is The passing hydrogen gas mixture is cold and the first shift catalyst is hot. Therefore, the temperature distribution in the vertical direction of the inclined portion 521 of the first metamorphic portion 50 can be made uniform by making the first metamorphic portion 50 have a folded structure. In other words, it is possible to prevent the temperature of a part of the first shift catalyst from becoming extremely high.
  • the temperature distribution of the first shift catalyst is maintained at a temperature suitable for the reaction (for example, 300 ° C.) by cooling by heat exchange with the evaporation unit 30, and one of the first shift catalysts is sintered by sintering. It can prevent that the activity of a part falls.
  • the flow of the hydrogen mixed gas in the 1st transformation part 50 can be changed by making the 1st transformation part 50 into a folding structure.
  • the hydrogen mixed gas inlet (for example, the vicinity of the upstream of the gas flow path 502) and the outlet (for example, the vicinity of the lower lid 57) of the first shift unit 50 can be provided in the vicinity.
  • the gas flow path 502 is formed by pressing on the surface of the storage container of the first transformation unit 50 on the evaporation unit 30 side. That is, the inclined portion 521 (first inclined portion 521a) joined to the uneven surface forming the spiral flow path 31 of the evaporation portion 30 is formed with a groove 53 protruding in the opposite direction to the evaporation portion 30. Is done.
  • Each of the partition 52 having the inclined portion 521 and the outer peripheral member 320 having the concavo-convex surface is integrally formed by metal pressing. Therefore, the shape and position of the gas flow path 502 formed by the space surrounded by the groove 53 and the uneven surface can be molded with high accuracy by pressing the partition 52 and the outer peripheral member 320.
  • the shape and position of the container for the first shift catalyst can be molded with high accuracy by pressing the partition 52. Thereby, for example, it is possible to prevent the hydrogen mixed gas from passing (shortcut) without reacting with the first shift catalyst by filling the storage container with the first shift catalyst without a gap, A high-performance fuel processing apparatus can be easily provided.
  • a plurality of gas flow paths 502 are formed in the first inclined portion 521a.
  • the cooling amount of the hydrogen mixed gas can be easily controlled.
  • FIGS. 13 and 14 show an evaporation unit 30 ′, a first transformation unit 50 ′, and a surrounding gas flow path according to a modification.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the evaporation unit 30 ′ and the first transformation unit 50 ′
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 13.
  • the broken line arrow shown in FIG. 14 shows the flow of hydrogen mixed gas.
  • the members constituting the evaporation unit 30 ′ are an inner peripheral member 330 (corresponding to the inner cylinder), an outer peripheral member 340 (corresponding to the outer cylinder), and the inner side is joined to the inner peripheral member 330 and the outer side is joined to the outer peripheral member 340. And includes a spiral member 350 that travels around along an annular surface.
  • the flow path of the evaporation unit 30 ′ is formed in a spiral shape by a space surrounded by the inner peripheral member 330, the outer peripheral member 340, and the spiral member 350.
  • Members constituting the first metamorphic portion 50 include an inner peripheral member 510, an outer peripheral member 520, an upper lid 530, a lower lid 540, and a wall body 550 (not shown in FIG. 13).
  • the inner circumferential member 510 is formed with a tubular groove 510a that projects in the radial direction (that is, the direction opposite to the outer circumferential member 340).
  • a gas flow path 502 of the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 to the first shift unit 50 ′ is formed by a gap between the outer peripheral member 340 and the inner peripheral member 510.
  • the gas flow path 503 is formed by an annular space surrounded by the inner peripheral member 510, the outer peripheral member 520, the upper lid 530, and the wall body 550.
  • the gas flow path 503 connects the downstream port of the gas flow path 502 and the storage space for the first shift catalyst, diffuses the hydrogen mixed gas sent from the gas flow path 502, and supplies it to the storage space.
  • the upper lid 530 and the lower lid 540 are formed with a mesh that allows gas to pass through without passing through the catalyst.
  • both of the gas flow path 502 of the hydrogen mixed gas from the reforming unit 40 to the first shift unit 50 ′ and the first shift catalyst storage container are evaporated. Arranged close to the part 30 '. Therefore, both the hydrogen mixed gas passing through the gas flow path 502 and the first shift catalyst can be cooled at the same time.
  • the first shift section 50 ′ is a gas flow path 502 in which the hydrogen mixed gas from the reforming section 40 is formed from one side to the other side of the first shift catalyst storage container. Then, the hydrogen mixed gas is supplied from the other side toward the one side to the first shift catalyst containing container.
  • the catalyst unit having the folded structure is not limited to the first shift unit 50.
  • the selective oxidation unit 70 (corresponding to the catalytic reaction unit) may be a folded structure instead of the first shift unit 50.
  • the hydrogen mixed gas sent from the second transformation unit 60 (corresponding to the pre-treatment unit) once passes through the tubular gas flow path extending from the lower side to the upper side of the inclined part 521, and from the upper side to the lower side of the inclined part 521.
  • the gas flow path and the storage container for the selective oxidation catalyst are arranged close to the evaporation unit 30 as in FIG. Thereby, both the hydrogen mixed gas and the selective oxidation catalyst from the second shift section 60 can be cooled simultaneously.
  • the evaporating unit 30 has been described by taking as an example a configuration in which the exhaust gas discharge path 12 of the combustion unit 10, the first shift unit 50, and the selective oxidation unit 70 are in close proximity to perform heat exchange.
  • Other configurations may be adopted as a configuration for applying heat to the evaporation unit 30.
  • the description has been given by taking as an example a configuration in which the shift section has a two-stage configuration and includes the desulfurization section 20 and the ammonia decomposition section 65, but the shift section may have a single-stage configuration.
  • the ammonia decomposition unit 65 may be omitted.
  • the present invention can be applied to a fuel processing apparatus that supplies hydrogen gas to a power generation stack.

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Abstract

　本発明は、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させる。本発明は、改質水を蒸発させる蒸発部と；処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と仕切りを介して隣接して配置されている第１変成部と；ガスを改質部から第１変成部へ送るとともに蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路とを具備する。ガス流路は、第１変成部と蒸発部とが対向した箇所の一部の範囲にガスを通す中間流路を有し、中間流路の下流端と第１変成部の上流端とが連結している。

Description

燃料処理装置
　本発明は、原料ガスから水素ガスを生成する燃料処理装置に関する。
　以前より、炭化水素化合物を主成分とした原料ガスから水素ガスを生成して発電スタックへ供給する燃料処理装置が知られている。
　一般に、燃料処理装置は、蒸発部、改質部、変成部および燃焼部を具備して構成される。蒸発部は、改質水を蒸発させて原料ガスと水蒸気とを混合させる。改質部は、水蒸気と混合した原料ガスを改質触媒に通して水素混合ガスへ改質する。変成部は、水素混合ガスを変成触媒に通して一酸化炭素を除去する。燃焼部は、改質部を反応に適した温度にするために改質部に熱を供給する。蒸発部では、燃焼部の排ガスの熱および変成部の反応熱が供給されて改質水を蒸発させるために利用される。
　改質部での反応に適した温度（例えば６００℃）と比較して、変成部での反応に適した温度（例えば３００℃）は低いので、改質部から変成部へ送られる水素混合ガスを冷却する必要がある。従来の燃料処理装置においては、特許文献１、２に示されるように、改質された水素混合ガスを流す流路を、蒸発部と近接させることで、熱交換させて、変成部に供給される水素混合ガスを冷却させる構成が採用されることがある。これにより、変成部に供給される水素混合ガスを変成部での反応に適した温度にすることができる。
　さらに、蒸発部と他の部材との配置関係を工夫することで、各構成部材の温度を好適化使用とする技術が提案されている。例えば、蒸発部と、改質ガス流路と、変成部との配置関係を特定の態様とすることで、蒸発部と改質ガス流路とで、変成部の温度制御を行う技術が提案されている（特許文献３および４を参照）。また、変成器と蒸発部とを、壁面を介して表裏に配置することで、変成器の温度を制御する技術が提案されている（特許文献５および６を参照）。さらに、水を蒸発させる予熱層とシフト層との間に、熱回収層を配置することで、予熱層の熱を熱回収層によって吸収する構成が提案されている（特許文献７および８を参照）。
特開２００９－２０９００６号公報 特開２０１１－２０７７２８号公報 特開２００４－１４９４０３号公報 米国特許公開第２００５－００２６０１１号 国際公開第２０１０－０８２５０７号 米国特許公開第２０１１－００１４５２８号 国際公開第２０００－０６３１１４号公報 米国特許公開第２００１－００２９７３５号
　ところで、変成部における水素混合ガスの反応は発熱反応である。このため、変成部が適切に機能するには、上記従来の燃料処理装置のような改質部から変成部への水素混合ガスの流路に加え、変成触媒も蒸発部と近接させて冷却させる必要がある。しかしながら、この場合、上記水素混合ガスの流路および変成触媒の長さに応じて、蒸発部における原料ガスおよび水蒸気を流す流路を確保する必要があり、燃料処理装置が大型化してしまう。
　本発明の目的は、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる燃料処理装置を提供することである。
　本発明の一態様に係る燃料処理装置は、改質水を蒸発させる蒸発部と、処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と仕切りを介して隣接して配置されている触媒反応部と、前記ガスを前段処理部から前記触媒反応部へ送るとともに前記蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路と、を具備する。前記ガス流路は、前記触媒反応部と前記蒸発部とが対向した箇所の一部の範囲に前記ガスを通す中間流路を有し、前記中間流路の下流端と前記触媒反応部の上流端とが連通している構成を採る。
　このように、触媒反応部の熱は、蒸発部へ放熱可能に近接配置されていることが好ましい。よって、触媒反応部では発熱反応が生じるように構成されていると、その熱が蒸発部に供給されて、改質水の蒸発を促進することができる。発熱反応が生じる触媒反応部とは、変成部の他、選択酸化部などがありうる。
　本発明によれば、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる。
本発明の実施の形態の燃料処理装置の全体を示す縦断面図 実施の形態の燃料処理装置におけるガスの流れを説明する図 燃料処理装置の燃焼ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の改質ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の変成ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の脱硫ユニットを示す縦断面図 変成ユニットの構成部材を示す縦断面図 第１変成部におけるガスの流れを説明する図 変成ユニットの仕切り部材を示す斜視図 改質ユニットの外周部材の凹凸面を示す斜視図 変成ユニットの仕切り部材に形成される溝を説明する概略図 第１変成部周辺の部分断面を示す概略図 実施の形態の燃料処理装置の変形例における第１変成部を示す部分断面図 実施の形態の燃料処理装置の変形例における第１変成部を示す部分断面図
　以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施の形態の燃料処理装置の全体を示す縦断面図、図２は、実施の形態の燃料処理装置におけるガスの流れを説明する図である。
　本実施の形態の燃料処理装置は、例えば燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、原料ガスから水素ガスを生成して発電スタックへ供給する装置である。
　本実施の形態の燃料処理装置は、図１に示すように、燃焼部１０、脱硫部２０、蒸発部３０（図４参照）、改質部４０（前段処理部に相当）、第１変成部５０（触媒反応部に相当）、第２変成部６０、アンモニア分解部６５、選択酸化部７０等を備えている。
［各部の機能説明］
　先ず、各部の機能について図１および図２を参照して説明する。
　燃焼部１０は、装置の中央に配置され、バーナー１１により燃料ガスを燃焼させて改質部４０に熱を供給する。排ガスは、排出路１２を通って排出口ｅ２から排出される。
　脱硫部２０は、都市ガスなどの原料ガスを脱硫触媒に通して、例えば水添脱硫方式によって原料ガスから硫黄成分を除去する。原料ガスは、導入口ｄ１から導入されて、脱硫部２０を通過した後、蒸発部３０へ圧送される。
　蒸発部３０（図４参照）は、漏斗状の傾斜面に沿って回りながら中央に進む螺旋状の流路３１を有し、加熱された流路３１に原料ガスと改質水とを通して、原料ガスと水蒸気とを混合させる。蒸発部３０は、排ガスの排出路１２と近接しており、流路３１は排ガスの熱によって加熱される。原料ガスは、脱硫部２０から配管ｆ１を通して導入される。改質水は、導入口ｄ２から流入される。
　改質部４０は、水蒸気と混合された原料ガスを改質触媒に通して水素混合ガスに改質させる。改質部４０は、例えば６００℃などの高温の状態で機能する。改質部４０の周囲および燃焼部１０の下方は、周囲への排熱を少なくするために、断熱材８０が設けられている。改質された水素混合ガスは、第１変成部５０へ送られる。
　第１変成部５０は、水素混合ガスを第１の変成触媒に通して、水素混合ガスに含まれる一酸化炭素を除去する。第１変成部５０は、例えば３００℃など高温の状態で機能する。第１変成部５０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。第１変成部５０は蒸発部３０に近接され、第１変成部５０で発生した熱は蒸発部３０に供給されて流路３１を加熱するのに利用される。第１変成部５０を通過した水素混合ガスは第２変成部６０へ送られる。
　第２変成部６０は、水素混合ガスを第２の変成触媒に通して、水素混合ガスの一酸化炭素の濃度をさらに低下させる。第２変成部６０は、例えば２００℃など第１変成部５０よりも低い温度で機能する。第２変成部６０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。第２変成部６０を通過した水素混合ガスはアンモニア分解部６５へ送られる。
　アンモニア分解部６５は、水素混合ガスをＮＨ３分解触媒に通して、水素混合ガスに含まれるアンモニアを除去する。アンモニアが除去された水素混合ガスは、選択酸化部７０へ送られる。アンモニア分解部６５では、導入口ｄ３から空気が僅かに導入されて、触媒反応が行われる。
　選択酸化部７０は、水素混合ガスを選択酸化触媒に通して水素混合ガスに含まれる一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低下させる。このガスが発電スタックへ供給される水素ガスとなる。選択酸化部７０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。選択酸化部７０は蒸発部３０に近接され、選択酸化部７０で発生した熱は蒸発部３０に供給されて流路３１を加熱するのに利用される。水素ガスは、送出口ｅ１から発電スタック側へ供給される。
［構造の概要］
　次に、各部の構造の概要を説明する。
　図３は、燃料処理装置の燃焼ユニットを示す縦断面図、図４は、燃料処理装置の改質ユニットを示す縦断面図、図５は、燃料処理装置の変成ユニットを示す縦断面図、図６は、燃料処理装置の脱硫ユニットを示す縦断面図である。
　本実施の形態の燃料処理装置は、図３～図６に示すように、製造過程において、複数のユニットに分けられ、各ユニットが溶接等により接合されて構成される。各ユニットには、燃料ユニット１０Ａ（図３）と、改質ユニット４０Ａ（図４）と、変成ユニット５０Ａ（図５）と、脱硫ユニット２０Ａ（図６）とが含まれる。
［燃焼ユニット］
　図３に示すように、燃焼ユニット１０Ａは、バーナー１１と、バーナー１１による燃焼が行われる燃焼部１０と、排ガスの排出路１２の片側を仕切る壁体１３と、排出口ｅ２と排出路１２とを結ぶ配管ｆ２とを有する。
　壁体１３は、バーナー１１および燃焼部１０を中心に、これらの周りを囲うように環状に形成されている。壁体１３は、燃焼部１０の周囲が円筒状に形成され、蒸発部３０と近接する部位が円錐台の傾斜面状に形成されている。
　燃焼ユニット１０Ａは、例えば、外周部ｙ１が改質ユニット４０Ａの対応する箇所に溶接等により接合される。
［改質ユニット］
　図４に示すように、改質ユニット４０Ａは、蒸発部３０および改質部４０を有するユニットである。改質ユニット４０Ａは、流路３１および改質部４０の空間を間隙により形成する内周部材３１０および外周部材３２０と、原料ガスおよび改質水を導入する配管ｆ３、ｆ４とが設けられている。
　内周部材３１０は、燃焼ユニット１０Ａの四方を環状に囲い、且つ、燃焼ユニット１０Ａの下側（炎が当る側）が覆われた容器状に形成されている。外周部材３２０は、内周部材３１０と同心状かつ外側に配置され、内周部材３１０の四方を囲って上方と下方とが開口された環状に形成されている。
［変成ユニット］
　図５に示すように、変成ユニット５０Ａは、第１変成部５０、第２変成部６０、アンモニア分解部６５、および、選択酸化部７０を有するユニットである。
　変成ユニット５０Ａは、改質部４０から第１変成部５０へのガス流路の片側を覆う仕切り５２（仕切り部材）と、第１変成部５０の触媒容器およびこの周辺のガス流路を形成する第１構成部材５１とを備えている。
　変成ユニット５０Ａの第１構成部材５１の詳細は後述する。
　また、変成ユニット５０Ａは、第２変成部６０およびアンモニア分解部６５の触媒容器およびこの周辺のガス流路を形成する第２構成部材６１と、選択酸化部７０の触媒容器を形成する第３構成部材７１とを備えている。
　仕切り５２は、改質部４０の四方を環状に囲うとともに、上方が開口され、下側が覆われた容器状に形成されている。仕切り５２には、詳細は後述するが、仕切り５２の内側（中央側）を伝って流れるガスを、仕切り５２の外側に配置された第１変成部５０の上流側へ送る複数の溝５３および複数の開口５３ａが形成されている。
　第１～第３構成部材５１、６１、７１は、各々が環状の構造であり、図５に示す断面がほぼ周方向に連なって形成され、且つ、各々が燃焼部１０を中心に同心状に配置されている。第２構成部材６１には、周方向の一部に空気を導入する配管ｆ６が接続され、第３構成部材７１には、周方向の一部に水素ガスを送出する配管ｆ５が接続されている。
　変成ユニット５０Ａは、上端の外周部ｙ２が改質ユニット４０Ａの対応する箇所に溶接等により接合される。
［脱硫ユニット］
　図６に示すように、脱硫ユニット２０Ａは、脱硫部２０と、原料ガスの導入流路２５とを有するユニットである。脱硫ユニット２０Ａにおいて、脱硫部２０の触媒容器２１およびこの周辺のガス流路２２～２４は、図６の断面がほぼ周方向に連なった環状に形成されている。ガス流路２４の周方向の一部には、脱硫後のガスを送出する配管ｆ１が接続されている。
　また、脱硫ユニット２０Ａにおいて、中央の底側には、間隙によって導入流路２５を形成する二枚の底板２５ａ、２５ｂが設けられている。この底板２５ａ、２５ｂは、脱硫部２０の流路２３を構成する部材と一体の部材により構成される。導入流路２５は、二重の底板２５ａ、２５ｂの間で平面状に広がる流路であり、中央に配管ｆ７が接続されている。
　脱硫ユニット２０Ａは、断熱材８０を挟んで変成ユニット５０Ａの間隙部に嵌入および固定される。
［変成ユニットの詳細構造］
　続いて、変成ユニット５０Ａの第１構成部材５１の詳細を説明する。
　図７は、各ユニットが接合されて構成された燃料処理装置における、第１変成部５０周辺の部分拡大図であり、図８は、改質部４０から送られる水素混合ガスの流れを説明する図である。図９は、仕切り５２の一部破断斜視図である。
　第１構成部材５１は、ガス流路５０２（中間流路に相当）および触媒の収容空間（収容容器。触媒収容筐体に相当）の片面を仕切る仕切り５２、触媒の収容容器の各面をそれぞれ仕切る壁体５４、壁体５５、上蓋５６および下蓋５７と、第１の変成触媒とを備えている。
　仕切り５２は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。仕切り５２は、一端側が開口し他端側が塞がれた容器状の部材であり、開口側から、傾斜部５２１、内筒部５２２、および、底部５２３が連なって形成されている（図９参照）。
　傾斜部５２１は、開口側から他端側へ進むに従って径が小さくなる円錐台の傾斜面状に形成されている。内筒部５２２は、開口側から底側にかけて径が略一定の円筒形状に形成されている。底部５２３は、内筒部５２２の底側を塞いでいる。傾斜部５２１、内筒部５２２、および、底部５２３は、ほぼ軸対象（軸を中心とした回転対称）の形状であり、互いの中心軸が一直線に重なるように形成されている。
　傾斜部５２１は、開口側から、漏斗状に傾斜した第１の傾斜部５２１ａおよび第２の傾斜部５２１ｂが連なって形成されている。第１の傾斜部５２１ａには、他の面よりも放射方向に張り出した管状の溝５３が形成されている。改質部４０から第１変成部５０への水素混合ガスのガス流路５０１，５０２は、改質ユニット４０Ａの外周部材３２０と仕切り５２との間隙により形成される。
　ここで、図１０は、改質ユニット４０Ａの外周部材３２０（図４）を示す斜視図である。図１１は、第１の傾斜部５２１ａにおいて、溝５３を含む面を仕切り５２の内側（つまり、外周部材３２０側）から見た部分概略図である。
　外周部材３２０は、一方の開口側から他方の開口側にかけて傾斜部３２１および外筒部３２２が連なって形成されている。傾斜部３２１は、漏斗状に傾斜した傾斜面に対して凹凸面が形成された構成である。傾斜部３２１の凹凸面は、凹状溝Ｖ１が螺旋状に連なるように形成されている。凹状溝Ｖ１は、傾斜部３２１の周縁側から中央へ回りながら進む螺旋状の溝であり、螺旋の中心軸と、傾斜部３２１および外筒部３２２の中心軸とがほぼ重なるように設けられている。凹状溝Ｖ１は、傾斜部３２１の開口側から外筒部３２２の手前まで連なるように形成されている。外周部材３２０は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。
　一方、仕切り５２の第１の傾斜部５２１ａには、放射方向（つまり、外周部材３２０と反対方向）に張り出した管状の溝５３が第１の傾斜部５２１ａの上下方向に形成されている。仕切り５２は、外周部材３２０（改質ユニット４０Ａ）と同心状かつ外側に重ねられる。具体的には、傾斜部３２１の凹凸面と第１の傾斜部５２１ａとを密着させた状態で、例えば凹状溝Ｖ１に沿ってロウ付けすることにより仕切り５２と外周部材３２０とが接合される。つまり、第１変成部５０の収容容器は、ガス流路５０２の部位を除いて、蒸発部３０の流路に沿って蒸発部３０に接合されている。
　ガス流路５０１は、内筒部５２２および第２の傾斜部５２１ｂと、外周部材３２０（改質ユニット４０Ａ）との間隙によって環状に形成される。ガス流路５０２は、第１の傾斜部５２１ａに形成された管状の溝５３と、蒸発部３０の傾斜部３２１の凹凸面とに囲まれた空間により形成される。また、ガス流路５０２は、第１の変成触媒の収容容器に近接し、改質部４０からの水素混合ガスを収容容器の一方側（下側）から他方側（上側）に流す。
　なお、図９に示すように、ガス流路５０２は、第１変成部５０の周方向に対してほぼ等間隔に複数設けられてもよい。例えば、ガス流路５０２が円周方向に６０°間隔で等間隔に配置される場合、仕切り５２には溝５３は６個形成される。傾斜部５２１ａに形成される溝５３の個数（つまり、流路５０２の個数）は、６個に限定されない。
　壁体５４および壁体５５の各々は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。
　上蓋５６は、内周部が仕切り５２に嵌合し、外周部が壁体５４の内側に嵌合する大きさの環状の蓋である。上蓋５７は、内周部が壁体５５に嵌合し、外周部が壁体５４の内側に嵌合する大きさの環状の蓋である。上蓋５６および下蓋５７は、触媒を通さず、ガスを貫通させる網目が形成されている。
　ガス流路５０３（空気室に相当）は、仕切り５２と壁体５４と上蓋５６とに囲まれた環状の空間によって形成される。ガス流路５０３は、ガス流路５０２の下流口（開口５３ａ）と、第１の変成触媒の収容空間の上流口とを連通している。また、ガス流路５０３は、開口５３ａから送られる水素混合ガスを拡散して、第１変成部５０へ供給することが好ましい。すなわち、ガス流路５０３は、管状のガス流路５０２を通って送られる水素混合ガスを、環状の第１変成部５０の導入口（上蓋５６）全体に拡散して供給する。つまり、ガス流路５０３は、ガス流路５０２と変成部５０の収容容器との間に、ガス流路を広げるために形成されている。
　第１の変成触媒の収容空間は、仕切り５２と、壁体５４と、壁体５５とに囲まれた環状の空間によって形成される。第１の変成触媒の収容空間には、ガス流路５０３に送られた水素混合ガスが、上側から下側に向かって供給される。
　以上より、図８に示すように、改質部４０から送られる水素混合ガスは、ガス流路５０１に到達すると、まず、ガス流路５０２を通って、開口５３ａからガス流路５０３に送出される。次いで、ガス流路５０３に到達した水素混合ガスは、上蓋５６を介して、第１の変成触媒に通される。つまり、第１変成部５０では、改質部４０からの水素混合ガスは、ガス流路５０２を通って、第１の変成触媒の収容容器の一方側（傾斜部５２１の下側）から他方側（傾斜部５２１の上側）に一旦流され、上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器に供給される。つまり、第１変成部５０は、折り返し構造を有する。
　よって、改質部４０から第１変成部５０（つまり、ガス流路５０２の上流付近）に到達した時点では水素混合ガスが十分に冷却されていない場合（例えば４５０℃）でも、当該水素混合ガスは、ガス流路５０２を通って第１の変成触媒の収容容器を一旦通過することで、折り返して第１の変成触媒を通過する際には適温（例えば３００℃）まで冷却される。
　図１２は、第１変成部５０周辺の溝５３が伸びる方向に垂直な断面の概略図である。
　仕切り５２を形成する第１の傾斜部５２１ａと蒸発部３０の傾斜部３２１の凹凸面とが接合される。これにより、ガス流路５０２が形成される。また、第１の傾斜部５２１ａは、第１の変成触媒の収容容器の片側を仕切る面の一部である。よって、図１２に示すように、ガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方とも蒸発部３０に近接して配置されている。
　以上のように、実施の形態の燃料処理装置によれば、改質水を蒸発させる蒸発部３０と、第１変成部５０は、水素混合ガス（処理対象のガス）を触媒に通すとともに蒸発部３０へ放熱可能に近接配置され、ガス流路５０２は、水素混合ガスを改質部４０から第１変成部５０へ送るとともに蒸発部３０へ放熱可能に近接配置される。つまり、第１変成部５０が具備するガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方とも、蒸発部３０に対して仕切り５２を介して隣接して配置されている。換言すると、ガス流路５０２は、第１の変成触媒の収容容器を形成する面（傾斜部５２１）の一部である溝５３を用いて形成される。よって、ガス流路５０２を通る改質部４０からの水素混合ガスを、蒸発部３０との熱交換により冷却することができるとともに、第１の変成触媒も蒸発部３０との熱交換により冷却することができる。つまり、改質部４０からの水素混合ガスと第１の変成触媒とを同時に冷却することができる。また、水素混合ガスおよび第１の変成触媒は、主に蒸発部３０との熱交換により冷却されるので、放熱による冷却と比較して、燃料処理装置の効率を向上させることができる。
　さらに、実施の形態の燃料処理装置によれば、第１変成部５０は、改質部４０からの水素混合ガスを第１の変成触媒の収容容器の一方側から他方側に沿って形成されるガス流路５０２を一旦通し、その後、水素混合ガスを上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器へ供給する。つまり、ガス流路５０２は、第１変成部５０における改質部４０から遠い側までガスを送り、第１変成部５０は、改質部４０に対して遠い側より近い側へガスを折り返して流す。このように、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、ガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方を蒸発部３０に接触させるために、蒸発部３０の螺旋状の流路３１の全長が長くなってしまうこと（つまり、蒸発部３０の最外径が大きくなってしまうこと）を防ぐことができる。また、第１の変成触媒の収容容器に近接するガス流路５０２で水素混合ガスを冷却できる分だけ、改質部４０から第１の変成部５０の入り口（ガス流路５０２での水素混合ガスを冷却の上流口）までの長さを短くすることができる。これにより、燃料処理装置の小型化を図ることが可能となる。
　以上より、本実施の形態によれば、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる。
　また、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、図８に示すように、ガス流路５０２における水素混合ガスの流れ方向と、第１の変成触媒を通過する水素混合ガスの流れ方向とは反転する。ここで、ガス流路５０２を通る水素混合ガスは、上流（傾斜部５２１の下側）ほど高温であり、下流（傾斜部５２１の上側）ほど冷却により低温となる。一方、第１の変成触媒は、水素混合ガスの導入口である傾斜部５２１の上側ほど発熱反応が激しいため高温となり、水素混合ガスの出口である傾斜部５２１の下側ほど発熱反応が緩やかであるため低温となる。
　つまり、傾斜部５２１の下側では、ガス流路５０２を通る水素混合ガスが高温であり、第１の変成触媒が低温であるのに対して、傾斜部５２１の上側では、ガス流路５０２を通る水素混合ガスが低温であり、第１の変成触媒が高温である。よって、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、第１変成部５０の傾斜部５２１の上下方向における温度分布を均一にすることができる。換言すると、第１の変成触媒の一部の温度が極端に高くなってしまうことを防ぐことができる。これにより、例えば、蒸発部３０との熱交換による冷却により第１の変成触媒の温度分布を反応に適した温度（例えば３００℃）に保ち、焼結（sintering）によって第１の変成触媒の一部の活性が低下してしまうことを防止することができる。
　また、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、第１変成部５０における水素混合ガスの流れを変更することができる。または、第１変成部５０における水素混合ガスの導入口（例えばガス流路５０２の上流付近）と送出口（例えば下蓋５７付近）とを近くに設けることができる。これにより、燃料処理装置の設計時における各構成部の配置の自由度を向上させることができる。
　さらに、実施の形態の燃料処理装置では、ガス流路５０２は、第１変成部５０の収容容器の蒸発部３０側の面にプレス加工により形成される。つまり、蒸発部３０の螺旋状の流路３１を形成する凹凸面と接合される傾斜部５２１（第１の傾斜部５２１ａ）には、蒸発部３０と反対方向に張り出された溝５３が形成される。また、傾斜部５２１を有する仕切り５２および凹凸面を有する外周部材３２０の各々は金属のプレス加工により一体成型されてなる。よって、溝５３と凹凸面とに囲まれた空間によって形成されるガス流路５０２の形状および位置は、仕切り５２および外周部材３２０のプレス加工によって高精度に成型できる。
　また、第１の変成触媒の収容容器の形状および位置についても、仕切り５２のプレス加工によって高精度に成型できる。これにより、例えば、第１の変成触媒が収容容器に隙間無く充填されることで、水素混合ガスが第１の変成触媒と反応せずに通過（ショートカット）してしまうことを防ぐことができ、高い性能の燃料処理装置を簡易に提供することができる。
　さらに、実施の形態の燃料処理装置によれば、第１の傾斜部５２１ａにおいてガス流路５０２は複数個形成される。これにより、各ガス流路５０２での水素混合ガスの流量を制御することにより、水素混合ガスの冷却量を容易に制御することが可能となる。
［燃料処理装置の変形例］
　本実施の形態では、蒸発部が漏斗状の傾斜面を有する場合について説明した。これに対して、変形例では、蒸発部が筒状の面を有する場合について説明する。
　図１３および図１４は、変形例に係る蒸発部３０’、第１変成部５０’および周辺のガス流路を示す。図１３は、蒸発部３０’および第１変成部５０’の横断面図であり、図１４は、図１３のＡ－Ａ線断面図である。また、図１４に示す破線矢印は、水素混合ガスの流れを示す。
　なお、燃料処理装置の他の構成部（燃焼部１０、改質部４０など）の構成については、本実施の形態（図１）または従来の燃料処理装置と同様の構成でもよい（図示せず）。
　蒸発部３０’を構成する部材は、内周部材３３０（内筒に相当）、外周部材３４０（外筒に相当）、および、内側が内周部材３３０に接合され、外側が外周部材３４０に接合され、環状の面に沿って周りながら進む螺旋状の部材３５０を含む。蒸発部３０’の流路は、内周部材３３０と外周部材３４０と螺旋状の部材３５０とに囲まれた空間により螺旋状に形成される。
　第１変成部５０’を構成する部材は、内周部材５１０、外周部材５２０、上蓋５３０、下蓋５４０、壁体５５０（図１３では図示せず）を含む。内周部材５１０には、放射方向（つまり、外周部材３４０と反対方向）に張り出した管状の溝５１０ａが形成されている。改質部４０から第１変成部５０’への水素混合ガスのガス流路５０２は、外周部材３４０と内周部材５１０との間隙により形成される。
　ガス流路５０３は、内周部材５１０と外周部材５２０と上蓋５３０と壁体５５０とに囲まれた環状の空間によって形成される。ガス流路５０３は、ガス流路５０２の下流口と、第１の変成触媒の収容空間とを結び、ガス流路５０２から送られる水素混合ガスを拡散して、収容空間へ供給する。
　なお、上蓋５３０および下蓋５４０は、触媒を通さず、ガスを貫通させる網目が形成されている。
　この変形例によれば、実施の形態と同様、改質部４０から第１変成部５０’への水素混合ガスのガス流路５０２、および、第１の変成触媒の収容容器の双方は、蒸発部３０’に近接して配置される。よって、ガス流路５０２を通る水素混合ガスおよび第１の変成触媒の双方を同時に冷却することができる。また、実施の形態と同様、第１変成部５０’は、改質部４０からの水素混合ガスを第１の変成触媒の収容容器の一方側から他方側に沿って形成されるガス流路５０２を一旦通し、その後、水素混合ガスを上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器へ供給する。このように第１変成部５０’を折り返し構造とすることで、冷却のために蒸発部３０’の螺旋状の流路の全長が長くなってしまうことを防ぐことができ、変形例の燃料処理装置の小型化を図ることができる。
　以上、本発明の実施の形態について説明した。
　なお、上記実施の形態では、第１変成部５０が折り返し構造となる場合について説明した。しかし、折り返し構造を有する触媒部は、第１変成部５０に限らない。例えば、図１に示す燃料処理装置において、第１変成部５０の代わりに、選択酸化部７０（触媒反応部に相当）を折り返し構造としてもよい。この場合、第２変成部６０（前段処理部に相当）から送られる水素混合ガスは、傾斜部５２１の下側から上側に沿う管状のガス流路を一旦通り、傾斜部５２１の上側から下側に向かって選択酸化部７０の選択酸化触媒を通過する。ここで、ガス流路および選択酸化触媒の収容容器は、図Ｄと同様、蒸発部３０と近接して配置される。これにより、第２変成部６０からの水素混合ガスおよび選択酸化触媒の双方を同時に冷却することができる。
　また、上記実施の形態では、蒸発部３０は、燃焼部１０の排ガスの排出路１２と、第１変成部５０および選択酸化部７０とが近接されて熱交換する構成を例にとって説明したが、蒸発部３０に熱を加える構成としては、他の構成が採用されてもよい。
　また、上記実施の形態では、変成部を二段構成とし、脱硫部２０およびアンモニア分解部６５を備えた構成を例にとって説明したが、変成部は一段構成としてもよく、また、脱硫部２０およびアンモニア分解部６５は省略される場合もある。
　本発明は、発電スタックに水素ガスを供給する燃料処理装置に適用できる。
　１０　燃焼部
　３０、３０’　蒸発部
　３１、５０１、５０２、５０３　ガス流路
　４０　改質部
　５０、５０’　第１変成部
　５２　仕切り
　５３、５１０ａ　溝
　６０　第２変成部
　７０　選択酸化部
　３１０、３３０、５１０　内周部材
　３２０、３４０、５２０　外周部材
　３２１、５２１　傾斜部
　Ｖ１　凹状溝
 

Claims (8)

  1. 　改質水を蒸発させる蒸発部と、
    　処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と仕切りを介して隣接して配置されている触媒反応部と、
    　前記ガスを前段処理部から前記触媒反応部へ送るとともに前記蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路と、
    　を具備し、
    　前記ガス流路は、
    　前記触媒反応部と前記蒸発部とが対向した箇所の一部の範囲に前記ガスを通す中間流路を有し、
    　前記中間流路の下流端と、前記触媒反応部の上流端とが連通している、
    　燃料処理装置。
  2. 　前記中間流路は、前記触媒反応部における前記前段処理部から遠い側まで前記ガスを送り、
    　前記触媒反応部は、前記前段処理部に対して遠い側より近い側へガスを折り返して流す、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  3. 　前記前段処理部は、前記ガスを改質触媒に通して改質する改質部であり、
    　前記触媒反応部は、改質されたガスを変成触媒に通して変成させる変成部である、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  4. 　前記前段処理部は、前記ガスを変成触媒に通して変成する変成部であり、
    　前記触媒反応部は、変成されたガスを選択酸化触媒に通して選択酸化させる選択酸化部である、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  5. 　前記蒸発部、前記触媒反応部および前記前段処理部は、互いに同心状に配置された環状の構成であり、
    　前記ガス流路の前記中間流路は、複数あり、前記触媒反応部の周方向に対してほぼ等間隔に設けられている、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  6. 　前記蒸発部は、漏斗状の傾斜面に沿って回りながら中央に進む流路を有し、前記流路に前記改質水および原料ガスを流す構成であり、
    　前記中間流路は、前記触媒反応部の触媒収容筐体の前記蒸発部側の面にプレス加工により形成され、
    　前記触媒反応部の触媒収容筐体は、前記中間流路の部位を除いて、前記蒸発部の前記流路に沿って前記蒸発部に接合されている、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  7. 　前記蒸発部は、同心状に配置された外筒と内筒との間で螺旋状に進む流路を有し、前記流路に前記改質水および原料ガスを流す構成であり、
    　前記触媒反応部は、前記蒸発部の外周面を囲う環状の構成である、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
  8. 　前記中間流路と前記触媒反応部の触媒充填空間との間には、ガス流路を広げるための空気室が形成されている、
    　請求項１記載の燃料処理装置。
     
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